加速器第2章

离子源应用领域：原子物理、核物理、等离子体物理、 等离子体化学等基础学科。七十年代以来，广泛用于 离子注入、离子刻蚀等工业生产领域中。如质谱仪、 加速器（包括中子发生器）、同位素分离器、离子推 进器、受控热核聚变等都需要离子源。
离子源的研究基础：气体放电、等离子体物理、强流 离子光学、原子物理、表面物理、计算数学等，还涉 及许多尖端技术，如等离子体和束流的测量技术、大 功率高压供电、大抽速真空系统、强磁场、强流电子 枪等。七十余年的历史，处在半经验状态。它的发展 还有赖于适用于离子源的许多特殊材料的研制。
② 离子束分析 具有一定能量的离子与物质相互作用会使其发射电子、光 子、X 射线等，还可能发生弹性散射、非弹性散射以及核 反应，产生反弹离子、反冲核、γ射线、氢核、氚核、α 粒子等核反应产物，有背散射分析、X射线荧光分析、核 反应分析和沟道效应，低能离子束还可作表面成分分析, 如离子散射谱(ZSS)、次级离子质谱(SZMS)等。超灵敏质 谱（加速器质谱）、带电粒子活化分析、离子激发光谱、 离子激发俄歇电子谱等。 ③ 离子束加工 较低能量的离子束广泛用于工业加工，如离子减薄、离子 抛光、离子束打孔、离子束刻蚀、离子束溅射金属膜等。
3引出系统 引出系统的要求是: 1) 能引出强的束流或具有高的引出效率； 2）引出的束流具有优良的品质； 3）具有适当的气阻。（放电室内是低真空，气压为0.1—
10Pa。加速管内则须保持高真空，气压低于10-3Pa ）
引出过程：等离 子体是良导体其 电位基本与阳极 电位相等
结构：
（a） 皮尔斯系统， 保证引出平行的离子束。
当粒子在 z zi 处某个截面上的运动状态时， x, y, px 四维空间，例如，截 , py 六维空间退化为 y, p y 面为矩形的束流，可分别在 和x, px 构成的 两维相平面上进行研究，而对于截面为圆形的旋 r, pr 转对称束，只用 构成的两维相平面就可以 描述粒子的运动状态。
束流发散度的一种常见定义为： 用以表征带电粒子相空间分散的程度
4 双等离子体源： 50 年代，强流高能加速器的迅速发展， 导致了它的发展。 5 使用常规潘宁型的等离子源获得多电荷态的离子： 60年 代，开始研究，以满足重离子物理研究的需要。
6 溅射型负离子源、高电荷态的电子束源、电子回旋共振 源：80年代，为串列静电加速器研制它，这进一步推动了 重离子物理研究。
分子态变成原子态称离解
电子动能达8.8eV 电子动能达11.8eV
H2 e H1 H1 e 2eV
H2 e H1 H1 e 11eV
分子或原子态变成分子离子或原子离子称为电离 电子动能达15.6eV 电子动能达18.6eV 电子动能达28eV 电子动能达46eV
高频离子源 潘宁源(PIG)
双等源
电子回旋共振源(ECR)
电子束离子源(EBIS)
负离子
极化离子源
1 高频离子源 优点：结构简单、寿命长、工作稳 定、离子含量高 放电原理 在高频源中，电子从高 频电磁场中得到能量，并与气体分子 碰撞使其电离，产生等离子体。 流强可达10mA量级 常规的高频离子源在常温下只能电离 气体状态的物质，因此，能产生的离 子种类较少 。
离子束流强 即能够获得的有用离子束的等效电流强度，用电流单 位A或mA表示。 有用离子百分比 离子源给出的总离子束包括单电荷离子、多电荷离 子、各种分子离子和杂质元素离子等的离子束。
束的聚焦性能
以离子束的截面和张角表示。 离子源的效率 以离子束形式引出的工作物质占总消耗的比例。
工作寿命
离子源一次安装以后使用的时间。
在束流传输过程中，只有当粒子能量不变时，发 射相面积才是守恒的 。为了便于比较不同能量粒 子束的发射度，引入“归一化”发射度。 Px / Pz Px / P A 归一化发射度 n
Px Px . P P0
n



相对速度
0
相对能量
p mv n n
（b）锥形离子束引出系统 （c）扩张杯引出系统 ，发射面形状好，降低引出 电场避免电场击穿。
4聚焦电极 （以双筒电极为例）
（z<0）处受电场的聚焦作用，（z>0）则受电场的 散焦作用。
第三节
离子源的主要类型
一 离子源的分类
1电子碰撞型 2固体表面电离型
3热离子发射型
1电子碰撞型
具有一定动能的电子撞击气体分子产生等离子体， 再用电场从等离子体中引出离子束。所以又叫等 离子体源。
3 热离子发射型
这类离子源是从高温固体表面直接发射热离子。当 加热碱铝硅酸盐时，其分子式为Al2O3· nSiO2· M2O(n为 整数，M代表碱金属如Li、Na、K、Rb、Cs)，能得到 很强的碱金属离子束。这类离子源虽有束流品质好 的优点，但离子种类少，使用范围窄。
二 加速器中几种常用的离子源
二、发射度 1.相空间 在束流光学中，人们常常把带电粒子束作为一 个整体来进行研究，带电粒子的运动状态用相空 间来表示。 在三维笛卡尔坐标系中运动的带电粒子，给定 x, y , z 以及三个相应的动量分量 了三个位置坐标： px p y pz ，那么由 x, y , z，px ，p y ， pz 组成的 六维空间叫做相空间。某一带电粒子的运动状态 就可以由这个六维坐标系中的一个点来表示。
dB di dSd
r
ds
Baidu Nhomakorabea
沿束截面S积分
B
d
d dS d dS
S S
di
S

I
r'
dS 2 r.dr 由图： d r '2
如果束流旋转对称，则发射相图为椭圆，方程为：
r 2 r '2 2 1 2 b a r 2 r '2 2 1 2 b a
dS 2 r.dr d r '
如果束流在x,y方向的发射相图都是椭圆形,发射 相面积分别为AX, AY,则
V ( x, y, x ', y ') AxAy ( )
1 2 1 2
2
第二节 离子源的工作原理与结构
一 对离子源的要求
1.要求离子种类多、电荷态高
2. 要求离子束的强度足够大 3.要求离子束的发射度小、亮度高 、能量分散小 4.要求离子源的寿命长 5.要求离子源的效率高
2

S
2 2 2 2 2 1 d dS r '2 .2 rdr 1 a b 2 2 0
b
B
d dS d dS
S S
di
S

I
2I B 2 2 .
单位
A.m .rad
2
2
2 在四维相空间(x，y，x’，y’)内的粒子束流密度
I B V( x, y, x ' , y' )
二 离子源的工作原理及主要组成部分
离子源由供气系统、放电室、引出系统及聚焦电极组成
1供气系统：由管道及阀门组成。将需要的气体 充入放电室，气压一般为10—10-1Pa。充入相关 的气体。 2 放电室：充入的气体在放电室中电离，形成等 离子体。按形成等离子体的不同方式。离子源分 成不同的种类。但无论哪一种电离方式，在等离 子体形成的过程中都是自由电子起着主要的作用。 来自热发射或场致发射的电子以及空间的自由电 子，受到电场加速而具有一定的动能。它们与气 体分子碰撞将导致分子的离解和电离。

A A
2mW
W v
在理想的加速和传输过程中，束流的归一化发射度 保持恒定。
实际应用中，发射度有变化：或增加或减 少。归一化发射度不变。 在初始发射度相同的条件下，能量愈高的 束流，其发射度愈小，即束流口质愈好。
在应用时，真正有实际意义的是？
三、亮度
是束流在相空间的密度
亮度定义的方法有两种： 1 通过单位粒子束截面、单位立体角的束流强度
2固体表面电离型
电离发生在紧靠固体的表面。电离过程可以靠（1） 热能维持，（2）外部离子束、电子束轰击来维持。 （1）原理：电离能较低的元素粒子（碱金属和稀 土金属类）碰到高电离能的金属（如钨，铂，铱等） 表面时，就会使该元素的原子失去电子而成为离子。 这一原理制成的离子源能得到品质好，纯度高的离 子束，但粒子种类少，束流强度低 。 （2）原理：靠离子束轰击维持电离的溅射离子源, 用一定能量的离子束轰击靶，就能从靶表面溅射出 靶材料的中性原子和正，负离子。溅射的种类少， 其中用铯离子束轰击金属靶锥而产生被轰击金属的 负离子源是典型的溅射源。
第二章 带电粒子源
第一节 带电粒子束的主要参数 第二节 离子源的工作原理与结构 第三节 离子源的主要类型 第四节 电子和正电子源
第五节 离子源的主要应用
离子源 Ion source概述
离子源的定义：使中性原子或分子电离，并从中 引出离子束流的装置。
所有离子源都包括:
放电室 放电物质与功率的导入元件 维持放电稳定和离子寿命的约束电场或磁场结构 离子引出 抽气系统
7极化离子源：根据核物理对极化离子束的要求而产生
8正电子源：电子对撞机的出现，提出的要求。
第一节 带电粒子束的主要参数
一、 能散度 是束流中带电粒子能量分散的程度

1 2 0
式中，1 2 为粒子束流强随能量的分布曲线中， 流强为最大值一半处的能量宽度，即半高宽 0 为流强峰值处所对应的能量。 FWHM，
离子源的发展历史
粒子源与加速器两者是相辅相成的。加速器的发展 对粒子源不断提出新的要求，而粒子源技术的每个重 大突破和发展又促进了加速器的发展与革新。
粒子源是产生带电粒子束的装置，粒子源的水平决 定加速器的流强、发射度、粒子种类。 1.表面电离源、电子轰击型源：20年代，用于质谱仪。
2. 气体放电型离子源：潘宁型源 30 年代，用于高压倍加 速器和回旋加速器。 3. 负离子源：40 年代静电加速器的大量建造有促进了它 研究和发展。

A

实用单位是米.弧（m· rad）
2.刘维定理
表述：带电粒子在保守力场和外磁场中 运动时，相空间内粒子代表点的密度在运 动过程中将保持不变。即：粒子群在相空 间中的行为像不可压缩的流体。
由刘维定理得出的两个推论： 1，运动过程中粒子数守恒，粒子在相空间代表点 的密度也不变，所以相空间内代表点所占相体积 也不变。 2，当粒子束沿 x, y , z 三个方向的运动互不相关时， ( x, px ), ( y, py ), ( z, p 粒子束分别在 三个相平面 z) 内的代表点所占据的相面积在传输过程中也都各 自守恒不变。
H1 e H1 2e
H2 e H1 H1 2e
H2 e H1 H1 2e 10eV
H2 e H H 3e 10eV
1
1
原子和分子俘获一个电子形成负离子，因此放电 室中有中性粒子、电子、正离子、负离子。
电离的逆过程，称为复合。复合现象主要是 发生在放电室壁附近,并与壁的材料有关。金属的 复合系数高于绝缘材料，因此有些离子源的放电 室用石英或优质玻璃制成。复合现象对工作状态 影响不大的离子源, 放电室仍由金属制成。
①离子掺杂与离子束改性
重复性、可靠性比扩 散法好。离子注入掺 杂在半导体大规模集 成电路的生产中已成 为重要环节，用离子 注入法取代旧的扩散 等工艺在有些器件中 已成为必然趋势。 离子注入机
在常用金属的离子注入改性中，可以提高金属的硬度、抗 腐蚀性能和抗疲劳强度，降低金属的磨损率。某些绝缘材 料如陶器、玻璃、有机材料经离子束照射以后，性质发生 重要的变化，获得新的用途。“离子注入冶金学”正在形 成
环 状 放 电
线 状 放 电
十到几千MHz,工 作压强1-10Pa
几万MHz工作压强10-2Pa
电子倍增主要靠打在管壁上产生的 二次电子维持.
分类方法
按照产生离子的不同方法:(电子碰撞电离,热 表面电离,粒子束表面轰击电离,场致发射电离. 各种应用所需离子束的基本特征:(种类:质子 (氘),重离子,团簇离子,极化离子,放射性离子;电 荷态:正负离子,高电荷态离子;束流参数:能量, 流强,发射度,能散度…. 离子源结构中主要元件的特征:(阴极:冷阴极, 热阴极;约束场:永磁体,超导磁体场,均匀磁场; 放电功率源:射频,微波,电子束;引出结构:轴向, 侧向,膨胀杯,多孔,多电极….